Группа ученых разработала оптическую установку для отправки квантового света через волокно локализации Андерсона с фазовым разделением. Экспериментальная демонстрация показала, что связанное состояние фотонов сохраняется в процессе передачи. Технология после масштабирования найдет применение в квантовых коммуникациях и распределении квантовых ключей.
Схематическая иллюстрация эксперимента. Изображение: Alexander Demuth et al., Communications Physics
В эксперименте, проведенном физиками, специальное оптическое волокно с фазовым разделением соединяет передатчик и приемник. В качестве первого выступает квантовый источник света. Он генерирует квантово-коррелированные пары фотонов посредством спонтанного параметрического преобразования с понижением частоты в нелинейном кристалле.
В процессе генерации один фотон высокой энергии преобразуется в пары фотонов, каждый из которых имеет более низкую энергию. Длина волны такой пары составляет 810 нм.
В качестве приемника физики использовали матричную камеру с однофотонным лавинным диодом (SPAD). Такая камера, в отличие от обычных CMOS-камер, настолько чувствительна, что может обнаруживать одиночные фотоны с чрезвычайно низким уровнем шума, объясняют ученые. Кроме того, у нее очень большое временное разрешение, так что время «прибытия» одиночных фотонов известно с высокой точностью.
Оптоволокно с фазовым разделением: структура волокна (а), схема распространения света в идеальном (b) и реальном (с) волокне. Во втором случае свет частично рассеивается, перескакивая между локализованными модами. Изображение: Alexander Demuth et al., Communications Physics
В процессе эксперимента массив SPAD обнаружил и идентифицирова пары фотонов, которые приходят в одно и то же время (совпадают). Поскольку пары квантово-коррелированы, знание того, где обнаружен один из двух фотонов, говорит о местоположении другого фотона. Команда проверила эту корреляцию до и после отправки квантового света, успешно показав, что пространственная антикорреляция фотонов действительно сохраняется.
Исследователи продолжают работать над совершенствованием технологии. В частности они планируют создать оптическое волокно, в котором будут сведены к минимуму эффекты затухания, что увеличит дальность передачи связанных данных.
В отличие от обычных одномодовых оптических волокон, в которых данные передаются через одну сердцевину, волокно с фазовым разделением (PSF) или волокно для локализации Андерсона с фазовым разделением состоит из множества стеклянных нитей, встроенных в стеклянную матрицу с двумя разными показателями преломления. Поскольку в материале есть два показателя преломления, это создает латеральный беспорядок, который приводит к поперечной (двухмерной) андерсоновской локализации света в материале.
